专利名称：用于超声波系统的子波束形成发射机电路的制作方法参考图1，传统的超声波系统包括处理器/控制器10和模拟前端(AFE)20、以及用户接口(未示出)，例如视频显示器、计算机键盘和鼠标。包括在处理器/控制器10内的是数字波束形成器12，该数字波束形成器12提供限定发射的波束分布(profile)的多个数字发射数据信号13，并且反过来接收表示接收到的能量分布的多个数字接收数据信号33。在波束形成器电路12内执行任意期望的波束形成。AFE 20的传输路径包括多个信道的数字模拟转换(DAC)电路22和多个换能放大器驱动器电路对。发射数据信号13被转换为相应的模拟信号23，以用于驱动所述驱动器电路M。每个产生的驱动器输出信号25驱动换能器阵列观内的各个换能器，并根据公知的原理通过发射/接收开关沈传送所述每个产生的驱动器输出信号25。进一步根据公知的原理，将由换能器阵列观接收的经反射的超声波能量转换为相应的模拟电信号27，该模拟电信号27通过发射/接收开关沈被传送至各个时变增益放大器(TVGA)电路30。通过多个信道的模拟数字转换(ADC)电路32转换产生的放大的信号 31，从而产生接收数据信号33。这种超声波成像系统以这种方式工作，从而提供期望的图像分辨率和质量必需的波束形成。如上所述，波束形成功能通常在数字域实施，从而实现期望的灵活性和可编程性。然而，这种数字域电路消耗的功率随着处理的速度和复杂度的增加而增大。这种功率消耗和特别是功率消耗中的任何增量是特别成问题的，因为更多的系统设计为便携的，并且在电池电源控制下工作。此外，随着开发出更复杂的换能器阵列，在处理器/控制器10和 AFE 20之间的接口中的信号13、33的数量增加。因此，理想的是实施改进的子波束形成，以便于降低功率消耗和减少处理器/控制器10和AFE 20之间的信号连接数。
提供了用于超声波系统的子波束形成发射机的多信道脉冲发生器驱动器电路，其中根据子波束脉冲延迟数据和多个时钟信号通过延迟子波束脉冲模式数据而形成子波束信号。根据目前要求保护的本发明的一个实施例，用于超声波系统的子波束形成发射机的多信道脉冲发生器驱动器电路包括脉冲控制电路，其用于提供包括多个子波束脉冲模式数据、多个子波束脉冲延迟数据和多个时钟信号的多个子波束脉冲控制信号；和耦合到脉冲控制电路的信号脉冲生成电路，并且该信号脉冲生成电路通过提供多个串行子波束信号脉冲而响应于多个子波束脉冲模式数据、子波束脉冲延迟数据和时钟信号，其中多个子波束串行信号脉冲中的一个或更多个各自的子波束串行信号脉冲相应于多个子波束脉冲模式数据的至少一部分，并且关于多个子波束脉冲延迟数据和时钟信号时延。根据目前要求保护的本发明的另一个实施例，用于超声波系统的子波束形成发射机的多信道脉冲发生器驱动器电路包括时钟选择电路，其通过提供多个时钟信号中选择的一个时钟信号而响应于多个子波束脉冲延迟数据的第一部分和多个时钟信号；耦合到时钟选择电路的延迟电路，并且该延迟电路通过提供延迟的时钟信号而响应于多个子波束脉冲延迟数据的第二部分和多个时钟信号中选择的一个时钟信号，所述延迟的时钟信号相应于多个时钟信号中选择的一个时钟信号并且关于多个时钟信号中选择的一个时钟信号而在时间上延迟；和耦合到延迟电路的数据存储电路，并且该数据存储电路通过根据延迟的时钟信号存储多个子波束脉冲模式数据并检索存储的多个子波束脉冲模式数据的各个部分而响应于多个子波束脉冲模式数据和延迟的时钟信号。根据目前要求保护的本发明的另一个实施例，用于超声波系统的子波束形成发射机的多信道脉冲发生器驱动器电路包括脉冲控制器装置，其用于提供包括多个子波束脉冲模式数据、多个子波束脉冲延迟数据和多个时钟信号的多个子波束脉冲控制信号；和信号脉冲发生器装置，其用于接收多个子波束脉冲模式数据、子波束脉冲延迟数据和时钟信号，并且响应于所述多个子波束脉冲模式数据、子波束脉冲延迟数据和时钟信号而提供多个串行子波束信号脉冲，其中多个子波束串行信号脉冲中的一个或更多个各自的信号脉冲相应于多个子波束脉冲模式数据的至少一部分，并且关于多个子波束脉冲延迟数据和时钟信号时延。根据目前要求保护的本发明的另一个实施例，用于超声波系统的子波束形成发射机的多信道脉冲发生器驱动器电路包括时钟选择器装置，其用于接收多个子波束脉冲延迟数据的第一部分，并且响应于所述多个子波束脉冲延迟数据的第一部分而在多个时钟信号中进行选择，从而提供多个时钟信号中选择的一个时钟信号；延迟装置，其用于接收多个子波束脉冲延迟数据的第二部分，并且响应于所述多个子波束脉冲延迟数据的第二部分而延迟多个时钟信号中选择的一个时钟信号，从而提供延迟的时钟信号，该延迟的时钟信号相应于所述多个时钟信号中选择的一个时钟信号并且关于所述多个时钟信号中选择的一个时钟信号而在时间上延迟；和数据存储装置，其用于接收多个子波束脉冲模式数据和延迟的时钟信号，并且响应于所述多个子波束脉冲模式数据和延迟的时钟信号而根据延迟的时钟信号来存储多个子波束脉冲模式数据并检索存储的多个子波束脉冲模式数据的各个部分。图1是传统的波束形成超声波系统的发射信道和接收信道的功能方框图。图2是实施根据目前要求保护的本发明的一个或更多个实施例的子波束形成的6超声波系统的发射信道和接收信道的功能方框图。图3是具有根据目前要求保护的本发明的一个或更多个实施例的子波束形成发射机的超声波系统的八个信道的功能方框图。图4是用于信号脉冲发生器的驱动器电路的功能方框图，所述脉冲器用于驱动根据目前要求保护的本发明的一个或更多个实施例的超声波换能器。图5是图4中的电路的多个脉冲驱动器信道中的一个驱动器信道的一个示例性实施例的功能方框图。
是参考附图的目前要求保护的本发明的示例性实施例。这些说明是为了示例性说明而非限制本发明的范围。充分详细地描述了这些实施例，从而使本领域的一个普通技术人员能实践本发明的主题，并且将理解的是，在不偏离本发明的主题的精神或范围的情况下，可以对实施的其他实施例做出一些改变。贯穿本公开，在没有来自上下文的相反的清晰指示的情况下，将理解的是，所描述的各电路元件的数量可以是单数或复数。例如，术语“电路”和“所述电路”可以包括单个组件或多个组件，所述组件是有源和/或无源的，并连接或耦合在一起(例如，作为一个或更多个集成电路芯片)，从而提供所述功能。此外，术语“信号”可以指一个或更多个电流、 一个或更多个电压或数据信号。在附图中，相似或相关的元件将具有相似或相关的字母、数字或字母数字指示符。进一步地，虽然已经在实施方式的背景中利用分立的电子电路(优选地，以一个或更多个集成电路芯片的形式)讨论了本发明，但是可以可替换地利用一个或更多个适当编程的处理器来实施这种电路的任何零件的功能，这取决于要处理的信号频率或数据传输率。而且，就附图示出各种实施例的功能方框图而言，功能方框不一定表示硬件电路之间的划分。因此，例如，一个或更多个功能方框(例如，处理器、存储器等)可以在单个硬件(例如，通用信号处理器、随机存取存储器、硬盘驱动器等等)中实施。相似地，所描述的任何程序可以是独立程序、可以是并入操作系统中的子程序、可以是安装的软件包中的功能元件等。参考图2，使用根据目前要求保护的本发明的一个或更多个实施例的子波束形成的超声波系统简化了处理器/控制器100的全球数字波束形成器电路和AFE 200之间的信号接口。全球数字波束形成器102将总信道数N划分为多个较小的η个信道的组或“子波束”，其提供多个子波束的发射数据信号103并且接收多个子波束的接收数据信号215。在发射路径中，这些Ν/η个数据信号103用于由Ν/η个子波束形成器电路20 提供N个子波束信号203。(例如，如果由N = 256个信号驱动换能器阵列210，并且每个子波束形成器电路202提供η = 8个子波束信号，那么全球数字波束形成器102只需要提供N/n = 32个发射数据信号103。)子波束信号203用作驱动器电路206的模拟驱动信号，所述驱动器电路 206提供用于换能器阵列的驱动信号207。通过时变增益放大器210放大来自换能器阵列210的接收信号209，并且由ADC电路212转换产生的放大信号211，从而产生相应的数字信号213。由子波束形成接收器电路 214处理这些数字信号213(在共同未决的专利申请中公开了其主题并且要求保护其一个或更多个实施例)，从而提供Ν/η个接收数据信号215。
根据目前要求保护的本发明的一个或更多个实施例的这种子波束形成降低了整个系统复杂性和功率消耗。例如，在数字域中例如利用现场可编程门阵列(FPGA)实施传统的波束形成，所述FPGA例如作为全球数字波束形成器102的部件，具有消耗大量功率的大量的内插计算，而在模拟域和混合信号域中执行根据目前要求保护的本发明的一个或更多个实施例的子波束形成，从而实现高精确度，同时消耗较小的功率。参考图3，根据目前要求保护的本发明的一个或更多个实施例，在发射信号路径中执行子波束形成。AFE 200(图幻的发射信号路径中的每个子波束形成器电路20 接收发射波束形成控制信号103a、103b，包括子波束形成分布数据、全球波束偏移数据、校正补偿数据、稀疏选择数据和发射起动、或“触发”、控制数据以及时钟信号103c。时钟信号103c驱动锁相环(PLL)电路222，该锁相环电路提供所需的具有不同频率和相位的各种时钟信号。子波束形成器电路20 接收由子波束形成分布数据信号Btx 103a限定的波束形
成需求，并将其转换为具有可编程的信号振幅和时间延迟的多个波形to、tl.....t7203a。
例如，具有200ns的信号持续时间的波形可以预先存储在子波束形成器电路20 中，并且子波束形成分布数据指定所述波形被连续延迟Ins并且其振幅降低百分之一。因此，在使触发信号Bst 10 有效之后，子波束形成器电路20 将提供八个信号203a，使得tl(n)= 0. 99*t0 (n-lns)，t2 (η) = 0. 98*t0 (n_2ns)，· · ·，t7 (η) = 0. 93*t0 (n_7ns)。可替换地,可以在驱动器电路206a中进行信号振幅的修改，例如，根据可编程的正217p和负217η电源电压(下面将更详细地讨论)。如上所述，子波束形成的信号203a驱动所述驱动器电路206a，该驱动器电路提供用于其各自的换能器(如上所述)的驱动信号207a。子波束形成器电路20 向驱动电路 206a的电源管理电路216提供一个或更多个控制信号217c。根据这些一个或更多个控制信号217c，电源管理电路216控制用于驱动器电路206a的正217p和负217η电源电压。例如，根据一个优选的实施例，驱动器电路206a使用电源电压217ρ、217η由电源管理电路216 控制的G类放大器，因而为换能器驱动信号207a提供振幅控制。可替换地，驱动器电路206a 可以通过简单的脉冲发生器、多电平脉冲发生器或其他类型的放大器(例如，A/B类)的形式实施。形成精确的波束形状所需的精细的相位控制需要比脉冲速度更精细或是在每个周期中具有更多相位的时序。例如，如果40Ms/s (每秒钟百万样本)用于生成脉冲波形，则采样时间分辨率是25ns (纳秒)，这一般是不足够的。因此，需要40MHz来同步更高的频率， 例如160MHz，从而产生6. 25ns的更精细的时钟周期移位。如下面更详细的讨论，粗糙的延迟控制可以用于以6. 25ns的增量延迟信号203a。对于精细的延迟，可以使用多相位时钟信号。例如，对于m = 8个相位，精细的时间分辨率将是一个时钟周期的1/8，或是0. 78125ns。通过子波束形成器20 在充分高的频率下工作，可以进行操作以提供多个脉冲， 以实施脉宽调制(PWM)功能，从而生成任意的波形，或是提供代码激励的脉冲，从而向超声波目标提供更多的能量。可以在子波束形成器20 中提供校准，从而提高控制效率和顾及信号通过至换能器的信号路径的损失。这种校准可以包括针对时间延迟和振幅变化的校准。例如，在各种换能器、驱动器放大器和其他电路元件(有源的和无源的)中，在某种程度上将总是存在操作差异。校准过程(例如，作为生产测试的部分)可以包括捕获这些差异并将其转换为偏移数据，以便存储在子波束形成器20 中，因而允许基于这些偏移数据对波束分布进行调整，以便提供更加精确的波束形成性能。此外，通过驱动换能器的子集(例如偶数的或奇数的或单独选择的换能器)可以提供稀疏波束形成。例如，作为波束分布形成的一部分，生成的各种波形中选择的波形的振幅可以被限定为零(或是其他一些预定的低数值)。参考图4，根据目前要求保护的本发明的一个或更多个实施例，可以利用双电平驱动器或脉冲发生器(脉冲器)实施驱动器电路206aa，大致如图所示。根据发射使能信号 103c的触发控制电路242提供了起始控制信号243a，从而通过八对移位寄存器信道250提供脉冲信号，以及提供了用于有限状态机(FSM) M8的加载控制信号对北，所述有限状态机提供控制并将输入的数据转换为合适的格式。串行接口电路244接收脉冲和控制数据以及相应的时钟信号103d，并将串行数据转换为并行数据对5，以便加载到FSM 248中。FSM 248为数据信道250提供脉冲模式数据249a(例如，128位)和延迟分布数据M9b (例如， 17位)，并为PLL电路246提供控制信号M9c。PLL电路246接收基准和偏置信号103e，并在过采样频率fc下生成多相位时钟信号在示例性的实施例中为160MHz并具有八个相位)。数据信道250接收脉冲模式数据和延迟分布数据249b，并由触发控制信号和多相位时钟信号M7的选定相位控制(在下面更加详细地讨论)。每个数据信道
250为脉冲器驱动器电路提供两个输出位P (P0、PI、P2.....P7)，Ν(Ν0、Ni、N2.....N7)以
驱动脉冲器驱动器电路各自的换能器。这两个位允许四电平的脉冲器控制，当驱动双极脉冲器时，使用其中的三个电平。例如，这四个电平可以定义如下Pn = 0和Nn = 0用于零输出电压；Pn = 1和Nn = 0用于大多数正脉冲电压；Pn = 0和Nn = 1用于大多数负脉冲电压；以及Pn= 1和Nn = 1用于阻尼脉冲回波。可以通过相等的时序延迟每对信号Pru
Nn ；然而，八个信号对Ρ0/Ν0、P1/N1.....P7/N7 一般是根据以上所述的波束形成需求延迟
不同的时序间隔(例如，信号对Pl/m相对于信号对Ρ0/Ν0延迟1. 5ns)。根据一个优选的实施例，每个数据信道250为每个控制位P、N提供多达64个脉冲，因而允许PWM或代码激励的多脉冲信号。PLL电路246在过采样频率fc = 160MHz下提供多相位时钟信号M7。在八个相位的情况下，提供了 0.7825ns的精细延迟。串行接口 244允许接收不同的延迟分布数据并将其加载到FSM 248用于不同波束模式。发射使能信号103c允许同时触发所有的数据信道250。通过将校准数据存储在FSM 248内或专用存储器(未示出)内，可以提供校准。参考图5，数据信道250中的一个数据信道的一个示例性实施例250aa包括多路复用器沈2、移位寄存器^4p、264n、计数器266和逻辑电路沈8、270、272，基本上如所示地进行互连。脉冲模式数据在移位寄存器沈4 、26如之间分离并加载到移位寄存器^4p、 264η。延迟分布数据M9b向多路复用器262提供控制位，以用于选择多相位时钟信号M7 中的一个相位(例如，三个位用于在八个相位中选择)，延迟分布数据M9b还提供用于加载计数器沈6的位(例如，14)。因此，计数器266控制粗糙的延迟，而多相位时钟信号247控制精细的延迟。所选择的时钟信号相位263驱动计数器266和可编程分频器沈5。分频器 265将时钟263按比例调节为由预先加载的比例因子控制的更低频率的时钟沈如，以用于可编程脉冲触发频率。计数器266输出267在每次触发之前保持为逻辑“0”，并由“触发”控制信号控制。在使“触发”控制信号有效之后，计数器266开始计数。在由加载的计数器数据确定的粗糙延迟间隔已经逝去之后，有效的终端计数输出267使分频后的时钟能经由与(AND)门272穿过，以作为移位寄存器沈4 、26如的时钟信号273。(当计数器266达到粗糙延迟值时，输入AND门268和反馈反相器270禁用计数器时钟沈9，保持计数器266输出终端有效，直到“触发”控制信号被无效)。因此，在由粗糙延迟和精细延迟限定的延迟间隔的末尾，用于脉冲器的控制位251ap、251an根据加载到移位寄存器^4p、264n的位模式由使能时钟信号273按时钟输出。另一个计数器274计数触发的脉冲。当计数达到预定的长度时，使计数器274的终端计数输出27 有效，因而通过反相器 275和AND门272禁用时钟信号273。(其控制策略与第一计数器沈6的控制策略相似)。 终端计数输出27 在每次触发之前保持无效(de-asserted)，并由“触发”控制信号控制。在每次触发之后，移位寄存器沈4 、26如将自动设定为其预先加载的值，以便为下一次的触发做准备。 在不偏离本发明的范围和精神的情况下，本发明的结构和操作方法中的各种其他的修改和替换对本领域技术人员将是显然的。尽管已经关于具体的优选实施例描述了本发明，但是应当理解，所要求保护的本发明不应当不适当地限于这些具体的实施例。意图是权利要求限定本发明的范围，因而覆盖这些权利要求及其等价物的范围内的结构和方法。


本发明涉及一种用于超声波系统的子波束形成发射机的多信道脉冲器驱动器电路，其中通过根据子波束脉冲延迟数据和多个时钟信号延迟子波束脉冲模式数据而形成子波束信号。